Los sistemas fuera de equilibrio termodinámico son muy comunes en la naturaleza. En los últimos años han atraído una atención cada vez mayor debido a su relevancia para la física fundamental, así como para la nanotecnología moderna. En un esfuerzo colaborativo, el grupo de Óptica Teórica y Fotónica del Max-Born-Institut y Humboldt-Universität zu Berlin junto con colegas de la Universität Potsdam, La Universidad de Yale y el Laboratorio Nacional de Los Alamos ahora informan sobre nuevos conocimientos físicos detallados de la fricción cuántica átomo-superficie sin equilibrio.

Una clase particular de fenómenos de desequilibrio está representada por las fuerzas dinámicas de van der Waals / Casimir que actúan entre átomos, moléculas y superficies. Estas fuerzas, cuyo origen está profundamente arraigado en la teoría cuántica, están en el origen de la fricción sin contacto (cuántica) entre dos objetos que, cuando están separados por unas pocas decenas de nanómetros, moverse en relación con los demás. Desafortunadamente, La descripción cuantitativa detallada de los sistemas que no están en equilibrio es bastante desafiante y los enfoques más comunes se basan en el supuesto de que las correcciones a las características de equilibrio asociadas son relativamente pequeñas. Sin embargo, la validez de estos procedimientos y de las correspondientes aproximaciones ha sido escasamente verificada, limitando inevitablemente la fiabilidad de los resultados.

En marcado contraste con los supuestos ampliamente aceptados que dominan la literatura existente, los investigadores han demostrado que la aproximación del equilibrio térmico local (LTE), que trata los subsistemas que interactúan en un sistema general de no equilibrio como si estuvieran localmente en equilibrio con su entorno inmediato, falla dramáticamente cuando se aplica al estudio de la fricción cuántica.

Usando argumentos estadísticos cuánticos generales y modelos exactamente resolubles, los investigadores determinaron que la aproximación LTE subestima la magnitud de la fuerza de arrastre en aproximadamente un 80%. Teniendo en cuenta que la aproximación LTE ha sido el caballo de batalla para la descripción teórica de muchos fenómenos de no equilibrio, que van desde el transporte de energía térmica hasta las fuerzas de dispersión que no están en equilibrio, Estos resultados demuestran que los cálculos basados ​​en LTE carecen de una justificación rigurosa y deben volver a examinarse.

Además de abordar cuestiones fundamentales en el campo altamente interdisciplinario de las fuerzas de van der Waals / Casimir, Estos nuevos resultados tendrán un impacto considerable en muchas otras aplicaciones de interés actual en la física del desequilibrio. como trampas miniaturizadas para gases ultrafríos (chips de átomos), sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) y transferencia de calor radiativo de campo cercano. En total, este trabajo proporciona un análisis cuantitativo cuyas conclusiones representan un avance sustancial en la comprensión de la física cuántica del no equilibrio.